他們用AI破譯蛋白質結構“密碼”——三位科學家分享2024年諾貝爾化學獎
10月9日，瑞典皇家科學院揭曉了2024年諾貝爾化學獎的歸屬。美國華盛頓大學科學家戴維·貝克因在蛋白質設計方面的貢獻，榮獲該獎項一半的獎金；另一半獎金則由谷歌“深度思維”公司創始人、英國科學家德米斯·哈薩比斯和該公司美國科學家約翰·江珀共享，以表彰他們在蛋白質結構預測方面的成就。
諾貝爾化學獎委員會主席海納·林克指出，今年的諾貝爾化學獎如同“雙花並蒂”，他們一方面用計算軟件構建出全新蛋白質結構，另一方面則基於氨基酸序列開發出名叫“阿爾法摺疊2”的人工智能（AI）模型，實現對蛋白質複雜結構的預測。這兩項科學突破攜手開闢出巨大的可能性。
戴維·貝克（左）、德米斯·哈薩比斯（中）和約翰·江珀（右）因在蛋白質設計和蛋白質結構預測領域作出的貢獻榮獲2024年諾貝爾化學獎。諾貝爾獎官網
從頭設計全新蛋白質
2024年諾貝爾化學獎“花落”蛋白質，是因爲蛋白質對生命至關重要。沒有蛋白質，生命就不可能存在。
蛋白質如同生命體內的“能工巧匠”，以其獨特的化學能力，編織出生命的多樣性與複雜性。它們掌控並驅動生命體內所有的化學反應，這些反應共同構築了生命的宏偉藍圖。同時，蛋白質可謂“千面女郎”，扮演着激素、信號物質、抗體以及身體組織構建者等多種角色。
蛋白質通常由20種不同的氨基酸組成，這些氨基酸如同組成生命的“積木”。2003年，貝克利用氨基酸“積木”，成功創造出一種前所未有的新蛋白質，開啓了構建蛋白質的大門。構建全新蛋白質，被稱爲“從頭設計”。而貝克團隊構建氨基酸“積木”的功臣，是他們開發的名爲Rosetta的計算軟件。他們首先繪製了一種全新結構的目標蛋白質，然後從已知結構的蛋白質數據庫中尋找與目標結構相似的短蛋白質片段；隨後，Rosetta利用蛋白質能量圖的基本知識，優化這些片段，給出了最終的氨基酸序列。
此後，貝克研究小組不斷髮揮創意，創造出一系列富有想象力的蛋白質。這些蛋白質正在藥物、疫苗、納米材料和微型傳感器等多個領域“大展拳腳”。
爲預測蛋白質結構，貝克團隊2021年開發出“Rosetta摺疊”模型，並被《科學》雜誌評爲2021年年度突破。2023年，基於“Rosetta摺疊”的深度學習模型“RFdiffusion”問世。該模型能測試擁有不同結構元素的設計組合，並從頭開始產生蛋白質。該模型還能執行不同的任務，設計氨基酸、寡聚體（多亞基聚體）、有治療或工業應用前景的複雜結構。
精準預測蛋白質結構
在蛋白質的世界裡，氨基酸以長鏈的形式相連，摺疊成複雜的三維結構，賦予蛋白質重要功能。
自20世紀70年代以來，科學家一直致力於根據氨基酸序列預測蛋白質結構，但這是一項極其艱鉅的任務。因爲有些氨基酸和其他氨基酸相互作用，有些氨基酸則具有疏水性。而且氨基酸鍊形成了複雜的形狀，使精準確定蛋白質結構難上加難。
AI模型“阿爾法摺疊2”的橫空出世，爲解決這一縈繞在科學家心頭50年的難題帶來轉機。
2020年，哈薩比斯和江珀研製出“阿爾法摺疊2”。在該模型的幫助下，科學家們已能預測2億多種蛋白質的結構。
自問世以來，“阿爾法摺疊2”得到190個國家和地區200多萬研究人員的應用。有了這一模型，研究人員能夠更深入地研究抗生素的耐藥性，並設計出能分解塑料的酶。
今年5月，“深度思維”推出了“阿爾法摺疊3”模型，用來幫助科學家更精確地針對疾病機制開發更有效藥物。“阿爾法摺疊3”能夠更準確預測不同大分子之間複合物的結構，以及大分子、小分子和離子之間的相互作用。
能夠預測蛋白質結構並設計全新蛋白質，是科學賜予人類最美好的禮物之一。
科學家迎來AI黃金時代
張夢然
在2024年最後一個諾貝爾自然科學獎項公佈後，諾貝爾化學獎和物理學獎同時垂青AI領域研究者受到世人矚目。這是AI技術在多個科學領域中廣泛應用和產生深遠影響的證明。
這種“跨界”的認可，表明AI已不僅僅是計算機科學的一個分支，而是成爲推動科學研究和技術進步的重要工具。它爲解決長期存在的科學問題提供了強有力的支持，並在多個層面促進了科學的發展。諾獎既是對科學家個人成就的認可，也是對整個AI輔助科學研究趨勢的一個肯定。
AI黃金時代的一批科學家正熠熠生輝。這場景彷彿再現上世紀物理學黃金時代——從1900年到1925年，愛因斯坦、玻爾、薛定諤、海森堡、狄拉克、居里夫人等科學大師產出了大量的成果。我們期待，AI領域的創新能爲人們開啓一扇扇新世界的窗戶；我們相信，這次的諾獎會激勵更多年輕人關注AI及其在科學中的應用，從而誕生新一代跨學科人才。
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